不同细度超细粉煤灰对砂浆及混凝土性能影响的研究

李 辉，张志明，陈裕佳，谢 松

(西安建筑科技大学材料与矿资学院，西安 710055)



不同细度超细粉煤灰对砂浆及混凝土性能影响的研究

李 辉，张志明，陈裕佳，谢 松

(西安建筑科技大学材料与矿资学院，西安 710055)

研究了经超细粉磨制备的三种不同细度的超细粉煤灰的基本性能，以及掺入这三种不同细度超细粉煤灰的水泥胶砂和混凝土试样的力学性能和混凝土拌合物的工作性能。结果表明，超细粉煤灰的活性随其细度的增加而提高。掺入超细粉煤灰可以有效改善混凝土拌合物的工作性能、胶砂试件和混凝土试件的力学性能，且超细粉煤灰的细度越细改善作用越明显。不使用硅灰，仅用超细粉煤灰和减水剂也可以配制出C80的高强混凝土。微观孔结构分析表明，掺入平均粒径为4 μm的超细粉煤灰的混凝土小于20 nm的无害孔的孔体积明显大于掺入其他两种超细粉煤灰(2 μm、6 μm)的混凝土，这与CUFA4试样力学性能最佳的宏观试验结果一致。

超细粉煤灰； 混凝土； 工作性能； 力学性能

1 引 言

现代建筑的飞速发展，对作为建筑主要结构材料的混凝土的工作性能、力学性能和耐久性能提出更高的要求。一般利用硅灰和高效减水剂配合生产高强混凝土，但硅灰价格昂贵，因此，寻找价格便宜、资源丰富的硅灰替代品具有十分重要的意义。

中国是燃煤大国，伴随燃煤电厂锅炉的运转产生大量粉煤灰。随着火电建设的快速发展，粉煤灰的排放量还将不断增加。一方面，粉煤灰是一种工业废弃物，大量排放会严重威胁周边环境，对人们的生活和生产造成很大的危害；另一方面，粉煤灰可以作为水泥和混凝土的活性矿物掺和料，改善水泥和混凝土的性能，是可以利用的资源。但是目前我国粉煤灰的综合利率依然偏低，提高粉煤灰的综合利用率是现在社会的一个重要的课题。降低粉煤灰细度和平均粒径，提高粉煤灰活性是一种提高粉煤灰综合利用率的重要途径。

超细粉煤灰一般是指平均粒径低于10 μm，比表面积大于600 m2/kg的粉煤灰[1,2]。通常获得超细粉煤灰的途径主要有两种，一是分选，二是机械粉磨。周敏、孙涛等人对磨细超细粉煤灰和分选所得的超细粉煤灰做了对比研究，结果显示，机械粉磨所得超细粉煤灰由大量碎屑和较小的微粒构成, 表面结构缺陷多, 破碎面的断键和不饱和键数量多，其性能优于分选所得的超细粉煤灰[3,4]。丛树民等通过对比试验研究磨细粉煤灰(5～15 μm)与原灰在高强混凝土中的作用， 发现掺入磨细粉煤灰的混凝土具有良好的粘聚性， 既不离析， 也不出现泌水， 工作性能良好[5]。

本文是利用西安建筑科技大学粉体工程研究所自主开发的粉磨设备将粉煤灰原灰进行粉磨，获得平均粒径分别为2 μm、4 μm、6 μm的三种不同细度的超细粉煤灰，比较这三种超细粉煤灰的基本性能，以及分别掺入这三种超细粉煤灰的水泥胶砂试件的力学性能和混凝土的工作性能、力学性能，以期为超细粉煤灰替代硅灰制备高强提高性能混凝土供实验依据。

2 试 验

2.1 原 料

水泥：试验所用水泥为西安某水泥厂提供的42.5普通硅酸盐水泥熟料和天然二水石膏以95∶5的比例混合粉磨制得，其基本性质如表1。

表1 水泥的基本性能Tab.1 Property of cement

粉煤灰原灰：实验用粉煤灰为山西朔州某电厂提供的粉煤灰原灰，其化学成分如表2。

表2 粉煤灰化学成分Tab.2 Chemical composition of fly ash /wt%

砂子：胶砂试验所用砂为标准砂。混凝土所用砂为西安某商品混凝土搅拌站购买的中砂，表观密度为2610 kg/m3，堆积密度为1410 kg/m3。

石子：混凝土试验所用石子为西安某商品混凝土搅拌站提供的碎石，粒级为5～20 mm连续级配。表观密度为2630 kg/m3，堆积密度为1410 kg/m3，含泥量0.3%。

减水剂和水：减水剂采用的是江苏苏博特新材料股份有限公司生产的聚羧酸减水剂，固含量为40%。拌合和养护用水为自来水。

2.2 试样检验方法

混凝土的工作性能和力学性能分别按照《普通混凝土拌合物性能试验标准》(GBT- 50080- 2002)和《普通混凝土力学性能试验方法标准》 (GB/T50081- 2002)进行检测。

2.3 混凝土试验配合比

在保持胶凝材料总量为588 kg/m3、细骨料量为686 kg/m3、粗骨料量为1029 kg/m3、减水剂掺量为 0.9%、水灰比为0.24不变的条件下，将三种不同细度的超细粉煤灰(dmean=2 μm、dmean=4 μm、dmean=6 μm)以10%的掺量分别替代水泥配制混凝土试样，其中JZ为不掺粉煤灰的混凝土基准试样，CUFA2、CUFA4、CUFA6分别为掺入10%平均粒径为dmean=2 μm、dmean=4 μm、dmean=6 μm超细粉煤灰的混凝土试样。

3 结果与讨论

3.1 不同粒径超细粉煤灰的制备及基本性能对比

用西安建筑科技大学粉体工程研究所自主研发的半工业化中试粉磨设备将粉煤灰原灰磨细，得到2 μm、4 μm、6 μm三种不同粒径的超细粉煤灰，其基本性能如表3。

表3 不同粒径粉煤灰产量及基本性能Tab.3 Output and physical property of different ultra fine fly ash

从表3可以看出，超细粉煤灰的产量随着粉煤灰的细度增加而减小；超细粉煤灰的细度越大其需水量比越小，活性越大。

3.2 不同细度超细粉煤灰的胶砂试验对比

用硅灰作为活性矿物掺和料制备高强混凝土时，其最佳掺量一般为10%～15%。将三种不同细度的超细粉煤灰以10%的比例代替水泥，按照(GBT 17671-1999 水泥胶砂强度检验方法(ISO法)，进行胶砂试验，试验结果见表4。其中JZ为不掺超细粉煤灰的试件，F1、F2、F3分别为掺入10%平均粒径为dmean=2 μm、dmean=4 μm、dmean=6 μm超细粉煤灰的胶砂试样。

表4 不同粒径超细粉煤灰胶砂强度Tab.4 Strength of mortar with different ultra fine fly ash

从表 4中可以看出，掺有超细粉煤灰的胶砂试件的抗折和抗压强度均较不掺粉煤灰的基准试样高，且试样的抗折和抗压强度随超细粉煤灰细度的增加而增大。这是因为粉煤灰颗粒多为特殊的球形复珠结构，超细粉磨可以打破复珠结构的粉煤灰颗粒的外壳，将内部包裹的更细小的微珠释放出来，从而有效改善粉煤灰的活性及其在胶凝材料体系中的微集料效应[6,7]。

3.3 不同细度超细粉煤灰对混凝土工作性能的影响

对掺入不同细度的超细粉煤灰的混凝土拌合物的工作性能进行测试，测试结果见表5。图1为基准混凝土拌合物和不同细度超细粉煤灰混凝土拌合物的照片。

表5 不同细度粉煤灰混凝土拌合物的工作性能Tab.5 Workability of concrete mixture containing ultra-fine fly ash with different fineness

图1 混凝土拌合物(a)JZ;(b)CUFA2;(c)CUFA4;(d)CUFA6Fig.1 Concrete mixture (a)sample of JZ;(b)sample of CUFA2;(c)sample of CUFA4;(d)sample of CUFA6

表4的结果显示，掺入超细粉煤灰的混凝土拌合物的坍落度和扩展度均大于未掺超细粉煤灰的混凝土拌合物；掺入超细粉煤灰可改善了混凝土拌合物的流动性，且超细粉煤灰的细度越细改善作用越明显。这是因为，一方面超细粉煤灰内绝大多数为表面光滑的球形颗粒、粒度较细的玻璃微珠，掺入混凝土中可减小内摩擦阻力，从而可减少混凝土的用水量，起到减水作用，从而有效提高混凝土拌合物的流动性[8]。从图1中可看出，a中有较少量的蜂窝，b、c、d中混凝土拌合物浆体饱满且无明显蜂窝，这表明掺入超细粉煤灰的混凝土拌合物的黏聚性优于未掺超细粉煤灰的混凝土拌合物；混凝土底部均无稀浆析出，表明混凝土拌合物均有很好的保水性。

3.4 不同细度超细粉煤灰对混凝土力学性能的影响

利用不同细度超细粉煤灰制备高强混凝土测定其不同龄期的力学性能，结果如表6所示。

表6 不同细度粉煤灰混凝土力学性能Tab.6 Mechanical of concrete with different ultra fine fly ash

从表6结果显示，仅用超细粉煤灰和减水剂，可以配制出C80的高强混凝土。掺超细粉煤灰的混凝土试件在不同龄期的抗折和抗压强度较未掺超细粉煤灰的混凝土试件均有显著的提高，其中抗折强度的增长率为28.0%～65.4%，抗压强度的增长率在9%～30.5%；在不同的龄期，掺入超细粉煤灰的混凝土试件的抗折和抗压强度最高的均是掺入平均粒径为4 μm的超细粉煤灰的CUFA4试件。

3.5 不同细度超细粉煤灰对混凝土微观结构的影响

利用扫描电镜观察掺不同细度超细粉煤灰混凝土试件的微观形貌，如图2。

图2 各混凝土试样的SEM(a)CUFA2；(b)CUFA4；(c)CUFA6Fig.2 SEM of concrete samples(a)sample of CUFA2;(b)sample of CUFA4;(c)sample of CUFA6

从图2中可以看出，混凝土试件CUFA2中有少量裂缝，无明显粉煤灰颗粒，混凝土试件CUFA4中没有明显裂缝，没有明显粉煤灰颗粒，混凝土试件CUFA6中没有明显裂缝，有少量球形粉煤灰颗粒。各硬化混凝土样品中，混凝土试件CUFA4较混凝土试件CUFA2、CUFA6更致密，粉煤灰颗粒与水泥熟料矿物水化形成的 Ca(OH)2发生二次反应更充分，所以掺入平均粒径为4 μm的超细粉煤灰的CUFA4试件的力学性能优于掺入平均粒径为2 μm和6 μm的超细粉煤灰的混凝土试件。

3.6 不同细度超细粉煤灰对混凝土孔结构的影响

利用压汞法对养护60 d的不同混凝试样的孔结构进行检测，得到其的孔隙率各类孔的分布，结果如表7所示。

表7 不同混凝土试样的孔结构Tab.7 Pore structure of concrete with different ultra-fine fly ash

表7显示，掺入超细粉煤灰的混凝土的孔隙率较基准混凝土有明显降低，既掺超细粉煤灰混凝土较基准混凝土更加致密，因此掺超细粉煤灰的混凝土的力学性能优于基准混凝土；掺入不同细度超细粉煤灰的混凝土中，掺入平均粒径为2 μm的超细粉煤灰的混凝土的孔隙率和掺入平均粒径为6 μm的超细粉煤灰的混凝土的孔隙率比较接近，掺入平均粒径为4 μm的超细粉煤灰的混凝土的孔隙率略大，但是掺入平均粒径为4 μm的超细粉煤灰的混凝土的中无害孔(孔径小于20 nm)的孔体积明显大于掺入平均粒径为2 μm的超细粉煤灰的混凝土和掺入平均粒径为6 μm的超细粉煤灰的混凝土，既掺入平均粒径为4 μm的超细粉煤灰不仅降低了混凝土的孔隙率，且其无害孔的孔体积明显大于其它混凝土样品，因此掺入平均粒径为4 μm的超细粉煤灰的混凝土具有更好的力学性能。

3.7 讨 论

将粉煤灰进行超细粉磨可以破坏复珠结构的粉煤灰颗粒，使内部包裹的细小微珠释放出来，更好的发挥粉煤灰的填充效应，降低混凝土的孔隙率，使混凝土更加致密，同时超细粉磨可以使粉煤灰中的非球形颗粒的粒径降低到足够小，从而减小非球形颗粒形貌的影响，使粉煤灰的形貌效应得到更好的发挥，从而改善混凝土的工作性能。超细粉磨增加了粉煤灰与水泥水化产生的Ca(OH)2发生“二次反应”的比表面积，使粉煤灰的火山灰效应加强。不同细度的超细粉煤中，细度为4 μm的超细粉煤灰在混凝土中的火山灰效应和填充效应较细度为2 μm和6 μm的超细粉煤灰得到更好的发挥，使混凝土孔隙率下降，变得更加致密，同时掺细度为4 μm的超细粉煤灰可以降低混凝土中多害孔的体积分数，增加无害孔的体积分数，从而获得优于掺细度为2 μm和6 μm超细粉煤灰混凝土的力学性能。

4 结 论

超细粉煤灰可有效改善粉煤灰的活性，需水量比等性能，且其需水量比随着超细粉煤灰细度的增大而减小，活性随其细度的增大而增大；经过磨细的超细粉煤灰作为活性掺和料掺入混凝土中能够很好的改善混凝土的工作性能；三种不同细度的超细粉煤灰(2 μm、4 μm、6 μm)掺入混凝土中可以降低混凝土的孔隙率，改善混凝土的孔分布，从而改善混凝土的力学性能，其中改善效果最好的为掺入平均粒径为4 μm超细粉煤灰的混凝土试样；不使用硅灰，仅用超细粉煤灰就可以配制出强度等级为C80高强混凝土。

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Property Comparision of Ultra-fine Fly Ash with Different Fineness

LIHui,ZHANGZhi-ming，CHENYu-jia,XIESong

(College of Materials and Mineral Resources，Xi＇an University of Architecture and Technology，Xi＇an 710055，China)

The basic property of three kind of UFA with different fineness prepared by super-fine grinding progress, the mechanical properties of cement mortar and concrete samples added with 10% of these kind UFA ,as well as the workability of concrete mixture were investigated. The results show that, the activity of UFA enhanced with the increase of fineness. Involving of UFA improved the workability of concrete mixture and the mechanical properties of mortar and concrete samples significantly. By using UFA and superplasticizer without silica fume, C80 high performance concrete was prepared. The results of micro-pore structure revealed that the volume of harmless pores inside the concrete samples CUFA4 blended with UFA4 was larger than the samples of CUFA2 and CUFA6, which was in accordance with the macroscopical mechanical experiment results of concrete.

ultra-fine fly ash;concrete;workability;mechanical property

李 辉(1971-)，女，博士，教授，博导.主要从事固体废弃物资源化利用方面的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)09-2821-05